Ультразвук

Ультразвук - пружні коливання з частотою за межею чутності для людини. Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають частоти вище 18 000 герц.

Хоча про існування ультразвука відомо давно, його практичне використання досить молодо. У наш час ультразвук широко застосовується в різних фізичних і технологічних методах. Так, по швидкості поширення звуку в середовищі судять про її фізичних характеристиках. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах дозволяє з досить малими похибками визначати, наприклад, адіабатичні характеристики бистропротекающіх процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні твердих тіл.


1. Джерела ультразвуку

Частота ультразвукових коливань, що застосовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні порядку декількох МГц. Такі коливання зазвичай створюють за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів з титаніту барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукових коливань, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як в якості компонентів багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, у звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку - струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.


1.1. Свисток Гальтона

Перший ультразвуковий свисток зробив в 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона грає "губа" в маленькій циліндричної резонансної порожнини. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю "губу"; виникають коливання, частота яких (вона складає близько 170 кГц) визначається розмірами сопла і губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак і кішок.


1.2. Рідинний ультразвуковий свисток

Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвука рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони володіють істотною перевагою. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища в іншу. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція рідинного ультразвукового свистка, виготовленого англійськими ученими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років XX століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить з еліптичного сопла і прямує на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки коливається платівка) такі системи довговічні і недорогі.


1.3. Сирена

Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона володіє відносно великою потужністю і застосовується в поліцейських і пожежних машинах. Всі ротаційні сирени складаються з камери, закритої зверху диском (статором), в якому зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на що обертається усередині камери диску - роторі. При обертанні ротора положення отворів в ньому періодично співпадає з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стисле повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі і статорі співпадають.

Основне завдання при виготовленні сирен - це по-перше-зробити якомога більше отворів в роторі, по-друге-досягти великої швидкості його обертання. Однак практично виконати обидва ці вимоги дуже важко.


2. Ультразвук в природі

Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (Кожанова - Vespertilionidae) або мають форму параболічного дзеркала носовим отвором (подковонос - Rhinolophidae) сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1 - 5 см від голови тварини тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в чутної нами частотній області тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Ехо своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж у випускаються сигналів. При цьому кажани можуть обходити при польоті перешкоди навіть у тому випадку, коли на ехолокаційні сигнали накладаються ультразвукові перешкоди з тиском 20 мбар. Механізм цієї високої завадостійкості ще невідомий. При локалізації кажанами предметів, наприклад, вертикально натягнутих ниток з діаметром всього 0,005 - 0,008 мм на відстані 20см (половина розмаху крил), вирішальну роль відіграють зрушення у часі і різниця в інтенсивності між випускаються і відбитим сигналами. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноаурально), що істотно полегшується великими безперервно рухомими вушними раковинами. Вони здатні компенсувати навіть частотне зрушення між випускаються і відбитими сигналами, обумовлений ефектом Доплера (при наближенні до предмету луна є більш високочастотним, ніж посилається сигнал). Знижуючи під час польоту ехолокаційного частоту таким чином, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася в області максимальної чутливості їх "слухових" центрів, вони можуть визначити швидкість власного переміщення.

У нічних метеликів з сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, "збиває зі сліду" летючих мишей, що переслідують цих комах.

Ехолокацію використовують для навігації та птиці - жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки - від Панами на північному заході до Перу на півдні і Суринаму на сході. Живучи в непроглядній пітьмі, жирні дрімлюги, тим не менше, пристосувалися віртуозно літати по печерах. Вони видають неголосні клацають звуки, які сприймаються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 Герц). Кожне клацання триває одну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стін підземелля, різних виступів і перешкод і сприймається чуйним слухом птиці.

Ультразвуковий ехолокацією у воді користуються китоподібні.


3. Застосування ультразвуку

3.1. Діагностичне застосування ультразвуку в медицині ( УЗД)

Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями і простотою використання в порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевної порожнини та порожнини тазу.


3.2. Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. Ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.

Ультразвук має дією:

  • протизапальну, розсмоктуючу
  • аналгетичну, спазмолітичну
  • кавітаційних посиленням проникності шкіри

Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканини діють ультразвуком і вводяться з його допомогою лікувальними речовинами (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу і шкірних залоз, клітинних мембран і стінок судин для речовин невеликий молекулярної маси, особливо - іонів мінералів бішофіту. [1] Зручність ультрафонофореза медикаментів та природних речовин:

  • лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується
  • синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини

Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, п'яткова шпора, стану після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.

Наноситься бішофіт-гель і робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофореза (при ОФФ суглобів, хребта інтенсивність в області шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., В області грудного і поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт/см2).


3.3. Різання металу за допомогою ультразвуку

На звичайних металоріжучих верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційні вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото цілком замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше фрезерного верстата і обробляти їм металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.

Ультразвуком можна навіть робити гвинтову нарізку в металевих деталях, в склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають гарту. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі і в самих твердих сплавах. Те ж і з штампами. Зазвичай штамп загартовують вже після його ретельної обробки. На ультразвуковому верстаті складну обробку проводить абразив (наждак, корундовий порошок) в полі ультразвукової хвилі. Безперервно коливаючись в полі ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблюваний сплав і вирізують отвір такої ж форми, як і у долота.


3.4. Приготування сумішей за допомогою ультразвуку

Широко застосовується ультразвук для приготування однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві незмішувані рідини (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурки утворюється емульсія, тобто дрібна суспензія масла у воді. Подібні емульсії грають велику роль в промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.

3.5. Застосування ультразвуку в біології

Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування в біологічних дослідженнях, наприклад, при необхідності відокремити клітку від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутріклітинних структур, як мітохондрії і хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їх структурою і функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малій інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій грає велику роль в селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.


3.6. Застосування ультразвуку для очищення

Застосування ультразвуку для механічного очищення засноване на виникненні під його впливом в рідині різних нелінійних ефектів. До них відноситься кавітація, акустичні течії, звуковий тиск. Основну роль відіграє кавітація. Її бульбашки, виникаючи і схлопиваясь поблизу забруднень, руйнують їх. Цей ефект відомий як кавітаційна ерозія. Використовуваний для цих цілей ультразвук має низьку частоти і підвищену потужність.

У лабораторних і виробничих умовах для миття дрібних деталей і посуду застосовуються ультразвукові ванни заполонений розчинником (вода, спирт і т. п.). Іноді з їх допомогою від частинок землі миють навіть коренеплоди (картопля, морква, буряк та ін.)

У побуті, для прання текстильних виробів, використовують спеціальні, що випромінюють ультразвук пристрої, що поміщаються в окрему ємність.


3.7. Застосування ультразвуку в ехолокації

У рибній промисловості застосовують ультразвукову ехолокацію для виявлення косяків риб. Ультразвукові хвилі відбиваються від косяків риб і приходять в приймач ультразвуку раніше, ніж ультразвукова хвиля, що відбилася від дна.

В автомобілях застосовуються ультразвукові парктроніки.

3.8. Застосування ультразвуку в витратометрії

Для контролю витрати і обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.

3.9. Застосування ультразвуку в дефектоскопії

Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів з цих матеріалів. Останнім часом отримує розвиток напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.

3.10. Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, здійснювана при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрівання яких утруднений, або при з'єднанні різнорідних металів або металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі сталі, магнітопроводи з пермаллоя і т. п.). Так ультразвукова зварка застосовується при виробництві інтегральних мікросхем.

3.11. Застосування ультразвуку в гальванотехніки

Ультразвук застосовують для інтенсифікації гальванічних процесів і поліпшення якості покриттів, одержуваних електрохімічним способом.

Література

  1. Оржешковський В. В., Оржешковський Вас. В. Бішофітотерапія / / Вісник фізіотерапії та курортологіі.-2005. - № 3 - С.62-71.